负质量密度声学超材料的反常多普勒效应

能够按照人们的意愿控制声波的传播一直是研究者们想要解决的问题.一类由人工微结构组成的声学超材料吸引了研究者的注意,因为它具有许多天然材料所不能实现的奇特性质,例如负折射、平板聚焦和反常多普勒等.本文中,我们制备了一种二维的负质量密度声学超材料,在频率1560—5580 Hz范围内质量密度为负值,折射率在1500—5480 Hz范围内为负值,设计了一种测量多普勒效应的测试装置,测试了其在1200—6500 Hz内的多普勒效应.实验结果表明:在所制备的声学超材料负折射区域内,以声源的频率为2000 Hz为例,当声源靠近探测器时,探测器探测到的频率为1999.27 Hz,与声源相比有0.73 Hz的减小;而当声源远离探测器时,探测器探测到的频率为2000.68 Hz,与声源相比有0.68 Hz的增大,即在频率点为2000 Hz时,有明显的反常多普勒现象.对整个负区域内进行选点测量,发现在整个负区域内有宽频带的反常多普勒效应现象.

可调谐的负等效质量密度声学超构材料实验研究

结构简单和宽频响应是负等效质量密度声学超构材料(Acoustic metamaterial,AM)的重要研究目标.本文基于局域共振理论设计了一种结构简单的空心管实验模型,利用声学传输线理论证明其谐振频率与空心管内径密切相关.实验测试的3种不同内径空心管AM的透射曲线分别在1550 Hz,1400 Hz和1300 Hz处出现透射低谷并伴随相位扭折,表明空心管AM在对应的频率附近发生谐振,且符合随内径增大谐振频率降低的理论结果.利用提取参数法实现了3种AM分别在1143~1662 Hz,998~1492 Hz和845~1352 Hz时的负等效质量密度.通过模拟声场分布阐述了空心管AM负等效质量密度形成的物理机制.空心管结构的提出为设计结构简单、宽频响应负等效质量密度的AM提供了一种可行的模型.

基于固体软板与空心圆柱双负声超常材料实现

在环氧树脂软板中周期性引入钢柱,利用其表面模集体共振激发,实现了负的有效质量密度响应.在空心钢柱周期性切缝构造亥姆赫兹共振腔结构,实现了负的体模量响应.复合以上2种结构,实现了质量密度和体模量同时为负的双负声超常材料.与现有的基于三维共振单元的双负材料相比,这种基于二维共振单元的双负超常材料结构更简单,易于制备.

声波在含负参数缺陷的零折射率超材料中的全透射和全反射

这个工作研究了声波在含矩形缺陷的二维各向同性零折射率超材料波导中的传播性质。我们知道在零折射率超材料波导中嵌入合适的正参数缺陷能够实现声波的全透射和全反射,但我们发现当缺陷的质量密度和体积弹性模量同时为合适的负数时,同样能够实现声波的全透射和全反射,并通过有限元模拟得到了验证。此外,在全透射和全反射情形下,缺陷中的声压场呈现出了不同的模态分布。全透射发生时,缺陷中的声压场呈现出的是很多个模态叠加的结果,而全反射发生时会呈现出某个模态的分布。在讨论零折射率超材料波导中含有多个缺陷时,我们发现当波导中嵌有偶数个缺陷,并且每两个缺陷的参数互为相反数时,会实现反常的透射现象。我们利用两个单独嵌入零折射率超材料中时导致声波全反射的缺陷实现了声波的全透射,这一有趣的现象在声隐身上有着潜在的应用。

声学超构材料

2000年报道的具有局域共振带隙的声学材料是声学超构材料的前身,也是最早实现的声学超构材料.同光学、电磁超构材料一样,近年来声学超构材料也引起了许多学者的研究兴趣.文章介绍了到目前为止声学超构材料的主要研究进展,内容包括含共振单元的声学超构材料的负有效声学参数(包括质量密度、体模量等)的实现,以及不含共振单元的声学超构材料的一些有效声学参数的确定等,最后对声学超构材料的可能应用进行了简单展望.